粒子输运

摘要： 针对传统的组合几何的建模及粒子输运方式不能满足复杂几何复杂输运、大尺度场景长程输运和高精度高分辨率统计计数等问题,基于自主研发的蒙特卡罗粒子输运软件JMCT,开展了基于组合几何与自定义网格的建模方法、粒子输运方法及统计计数方法研究。充分发挥组合几何建模便捷和输运高效、自定义网格建模灵活和计算精度高的优势,并将此方法应用到了线缆系统电磁脉冲光电输运和高能闪光照相直穿照射量模拟中。模拟结果表明,基于组合几何与自定义网格的粒子输运方法的计算结果与参考解相对偏差小于5%,模拟方法可行,结果可信。

摘要： 高功率脉冲磁控溅射技术(HiPIMS)是最新一代磁控溅射技术,高度离化的脉冲等离子体是HiPIMS技术的核心特征。针对HiPIMS放电轮辐特征,评述特征放电下HiPIMS等离子体测量、模拟及对薄膜生长作用的最新研究进展。较之常规磁控溅射技术,HiPIMS溅射靶材粒子高度离化,等离子体阻抗显著降低。等离子体在靶材表面形成以千米每秒速度旋转漂移的致密等离子体结构,存在局域化和自组织特征,可显著影响沉积粒子输运行为,为沉积薄膜生长提供一个新的控制维度。HiPIMS放电轮辐一般呈现扩散形和三角形两种形态,通过介绍轮辐变化规律、形成机制的进展,明确靶材溅射产额也对其形态有影响。另一方面,HiPIMS轮辐结构结合其脉冲放电特点,可控制薄膜沉积通量输运特征,进而影响沉积薄膜的微结构、表面粗糙度等表面完整性参数。具有微秒到毫秒跨尺度多级脉冲调节能力的高功率调制脉冲磁控溅射(MPPMS)和高功率深振荡脉冲磁控溅射(DOMS),脉冲控制跨时间尺度特性带来的轮辐特征可剪裁性,为在更大时间和空间维度上薄膜生长控制提供了可能性。

摘要： 粒子输运的随机模拟方法通常用于求解大量运动状态中粒子的特征量。粒子输运问题广泛出现在医学、天体物理和核物理领域,当前粒子输运随机模拟求解方法的主要挑战是计算机能够支撑的模拟样本数、模拟时间尺度与研究人员研究实际问题的需求之间的差距。处理器性能的发展随着工艺尺寸进步的停滞进入了新的历史阶段,复杂的片上结构的集成已经不符合现今的要求。面向粒子输运程序,文中开展了一系列体系结构设计工作,通过分析和利用程序的并行性和访存特点,设计了精简内核和可重配置缓存来加速程序。通过模拟器验证,文中提出的体系结构相比传统乱序架构获得了4.45倍性能功耗比优势以及2.78倍性能面积比优势,这为进一步研究大规模众核粒子输运加速器奠定了基础。

摘要： 蒙特卡罗(MC)方法具有复杂几何处理能力强,方法通用灵活,核数据完备,模拟忠实于物理过程等特点,成为中子学数值模拟的首选方法之一。在核能领域,MC方法得益于计算机的快速发展,在辐射屏蔽、反应堆堆芯临界安全分析、乏燃料后处理、放射性废物处置、核设施退役、核事故应急、放射性石油测井、核医学等领域均有广泛应用。对MC方法及软件输运计算做简要回顾,并对未来发展进行展望。

摘要： 针对辐射剂量学领域人员剂量快速评估的应用需求以及现有通用蒙卡程序计算时间过长的问题,本文开发了基于GPU加速的光电耦合输运蒙卡程序Gadep。根据GPU显卡CUDA编程模型下内存、线程层次结构和执行模型中的硬件层次结构特点,对程序框架、粒子输运、步长抽样、数据结构和截面访问等进行了设计和优化。通过计算ICRP 116号成年男性参考人体素模型器官外照射剂量转换系数,对程序进行了正确性验证,和通用蒙卡程序MCNP5单核计算相比,加速效率在48~300倍。以南京放射源丢失事故人员物理剂量重建为例对该程序进行了实际应用,物理剂量重建计算结果和参考值、临床诊断结果相一致,与通用蒙卡程序MCNP5单核计算相比加速效率达到50倍以上,表明Gadep在事故剂量重建、放射诊断及治疗剂量评估等方面有一定的应用价值。

摘要： 传统的蒙特卡罗程序通常使用构造实体几何(CSG)的方法进行几何建模.然而对于某些复杂的高阶曲面使用CSG进行精确建模非常困难且会耗费大量的时间.为解决这一问题,国际上提出了一种直接使用CAD几何建模的蒙特卡罗(DAGMC)方法来进行粒子输运计算.本文基于反应堆蒙特卡罗程序RMC,开发了使用CAD几何的DAG-RMC程序,并将DAG-RMC应用于方块组合体、燃料棒和犹他州茶壶3种模型的计算分析.结果表明:DAG-RMC的计算结果与传统CSG建模方法及OpenMC程序的结果符合良好,验证了DAG-RMC在粒子输运及临界计算中的正确性.

摘要： 粒子输运模拟在核科学领域、医疗放射治疗领域中占有重要的地位.基于MC方法设计和开发了面向天河2A系统的粒子输运异构协同算法;基于天河2A系统的异构通信模式BCL和ACL,提出了一种CPU与加速器Matrix2000之间的简单高效的对称通信模式;在Matrix2000加速器端,通过OpenM P指令开发程序的线程级并行;优化了原M C程序串行数据收集通信模式,提出了新的二叉树通信模式,极大地减少了通信时间.实现的基于CPU/Matrix2000异构协同计算的并行程序,在天河2A系统上进行测试,大规模测试可以扩展到45万核,相对5万核并行效率保持在22.54％.

摘要： 通过对粒子概率分布函数的计算,发现在高等离子体密度下边界间歇性事件的爆发频率有所增加.通过条件平均的手段,正负间歇性事件得以区分,并发现了二者在空间上的不同特征.不同密度梯度下的湍流粒子输运计算表明,间歇性事件与湍流粒子输运之间存在密切联系,间歇性事件的存在能够大大增加湍流粒子输运的大小.在高等离子体密度时,间歇性事件的强度有所增加,而与之相应地,湍流粒子输运的大小也有所增强.

摘要： 辐射粒子探测器是对空间辐射环境进行探测的工具.为了更好地评估塑料闪烁体探测器,针对辐射粒子输运问题,采用蒙特卡罗方法对辐射粒子输运方程进行数值模拟求解,在Geant4软件平台的基础上进行二次开发,从而实现了对塑料闪烁体中粒子输运过程的模拟.该程序根据需求对探测器参数进行定义,从而实现不同条件下粒子相互作用和闪烁光输运过程的仿真研究,并能扩展人射粒子的种类、能量等.利用开发的Pl_Sc软件程序对电子和γ入射塑料闪烁体的过程进行模拟分析,并与前人的研究成果和理论分析进行对比,验证了通过此程序进行模拟的可行性,特别是降低了对电子射程的模拟的误差;通过对人射粒子、闪烁体尺寸等变量进行变更,演示了此程序的易用性.对中能电子在EJ200塑料闪烁体中沉积能量的模拟研究表明,电子沉积能量分布可以较好地反映入射的单能电子能量,并符合理论预测;对能量为4 MeV的γ的能量沉积谱的仿真研究表明,在本文研究的能量范围内γ能量沉积谱的康普顿边缘较明显,多次康普顿散射和累计效应的影响不明显,为实际探测中通过观测到的康普顿边缘计算人射γ光子能量提供了技术积累.

摘要： 为满足通用蒙特卡罗程序难以处理的特定问题的粒子输运模拟需求,开发了模块化粒子输运蒙特卡罗模拟程序包PHEN.该程序包能够模拟中子、光子、电子及质子与物质相互作用的主要物理过程,具备树结构建模功能、低能带电粒子和反冲质子模拟功能及可定制的数据统计功能.利用PHEN程序包,计算了中子与特定核素作用生成次级光子的产额和平均能量,实现了基于指向概率法的点通量角度谱计算,并建立了中子输运时间特性模拟计算方法.PHEN程序包的基本功能模块可用于粒子输运模拟技术应用研究.

摘要： 粒子输运可扩展并行算法是国际高性能计算机的主要应用领域.本文设计和开发了面向天河2号升级系统的粒子输运求解器OpenSN.OpenSN通过离散纵标法和有限差分法对粒子运输方程进行求解,实现波阵面进程级并行扫描;在CPU和Matrix-2000加速器之间采用ACL和BCL进行控制和通信,实现异构编程;根据处理器核的计算能力进行任务划分.在Matrix-2000加速器端,通过OpenMP指令开发程序的线程级并行;测试结果表明OpenMP线程级优化最大可以获得5.5倍的加速;在天河二号升级系统上进行测试,大规模扩展达到101万核,对比17万核并行效率达到52％.

摘要： 本文从三个方面详细的介绍具有自主知识产权的蒙特卡罗粒子输运软件JMCT,首先是软件的“三高一快”的四大特色:①高分辨率数值反应堆模拟,②高效使用计算机,大规模并行计算,③前后处理可视化一体化,④基于框架领域编程实现,学科分离.其次是软件广泛的验证与应用,包括大亚湾、秦山一期、秦山二期、ACP100等多个反应堆模型以及神光Ⅲ激光装置的模拟计算.最后是软件的生态环境,确保了JMCT软件能够长期稳定、持续的发展壮大.当前中国正在大力发展核电,而核电软件是其中重要组成部分,JMCT软件应运而生.其定位与目标是面向核能领域对粒子输运高分辨率数值模拟软件的需求,基于高性能并行计算,致力于核反应堆物理与几何材料的精细建模与模拟,为反应堆堆芯物理分析、屏蔽设计等提供系统解决方案,同时也可对确定论程序及算法进行参考验证等.

摘要： 蒙特卡罗(MC)粒子输运区域分解并行计算能够解决精细反应堆模拟的大内存问题,MPI/OpenMP的耦合并行实现能够更好的适应新型多核并行计算机的体系结构。然而要在大规模并行机上实现精细反应堆的数值模拟,需要区域分解与粒子并行相结合,并且与MPI/OpenMP的并行实现相融合,实现多级混合并行。本文介绍JCOGIN框架的多级混合并行计算策略与实现，主要介绍了核心数据及通信算法对多级混合并行计算的支撑策略。并在JCOGIN框架下支撑JMCT程序实现多级混合并行计算能力。数值测试表明多级混合并行计算的高效性，对大亚湾反应堆全堆芯pinbypin在上万处理器核上进行大规模数值模拟，并行效率可达到50%以上。

摘要： 几何描述是蒙特卡罗粒子输运程序的重要环节,决定了蒙卡几何建模与计算的效率与精度.本文基于超级蒙特卡罗核计算仿真软件系统SuperMC实现了基于CAD面片模型的蒙卡粒子输运方法.该方法分为建模、计算两部分.在建模部分,本文使用了基于面距离的面片化精度控制方法,能够基于CAD几何模型快速生成对应精度的面片模型以及包含其他物理计算参数的计算参数描述部分.在计算部分,本文使用了基于面片数量控制的子空间划分方法,保证划分得到的子区域中的面片数量小于给定值,以保证基于面片的蒙卡粒子输运效率.本文使用聚变中子学基准例题ITER Benchmark进行了面片几何的测试以及与构造实体几何的对比,深入分析了面片几何精度、子区域划分限制对计算精度、效率的影响.测试结果表明,面片几何在计算速度上略低于CSG几何且差距不大,证实了本文方法正确性和可行性的同时说明了面片几何对于蒙卡粒子输运计算是十分有前景的几何形式.

摘要： JMCT是中物院高性能数值模拟软件中心粒子输运团队自主研发的三维蒙特卡罗模拟软件,JLAMT为其前处理可视化建模工具.本文使用JLAMT和JMCT程序对B&W、KRITZ、BEAVRS等系列基准题进行了模拟,并对Keff及计数功能进行了对比分析.其中Keff计算结果与MCNP5的最大偏差为B&W堆芯1810装载方案12基准题的114pcm,除BEAVRS基准题外的计数结果与MCNP5的偏差基本小于2％,平均偏差在1％左右;BEAVRS基准题功率分布模拟结果与MCNP5及实测值最大偏差分别为9.5％/16.6％,控制棒价值计算与MCNP5及实测值均吻合较好.

摘要： 蒙特卡罗光子及中子-光子耦合输运对于反应堆物理和源项屏蔽计算具有重要意义.基于清华大学工程物理系开发的具有自主知识产权的堆用蒙卡分析软件RMC程序,开发了针对增殖和非增殖介质的固定源计算功能,其中固定源的粒子类型可以是中子或者光子,粒子输运模式有三种:中子输运、光子输运和中子-光子耦合输运.通过与MCNP程序进行对比,验证了RMC固定源光子以及中子-光子耦合输运计算的正确性.

摘要： 本文介绍了蒙特卡罗粒子输运软件JMCT的源分布描述用户界面及实现方法.该源分布界面计划设计成可统一描述外源和临界问题初始源的粒子属性分布.已经实现的功能包括源粒子的部分空间、能量分布描述能力及一个开放的接口,该接口可由用户填写适当的Fortran语言代码形成描述任意空间、能量和角度分布抽样过程的子程序以完成用户指定的源抽样.通过此界面完成了若干模型问题的计算并与MCNP的结果作了比较,数值结果验证了源分布解析及抽样实现和粒子输运过程模拟的正确性.

摘要： 离散纵标法是目前国际上通用核装置辐射屏蔽计算的主要方法之一,但存在射线效应问题,使得通量密度呈现出空间震荡如锯齿波纹状分布.本文描述和分析射线效应的本质和产生原因,认识到这并不是由于数值计算过程的误差所致,而是由于离散纵标方法求解输运方程时只沿有限特定方向进行引起的,把原来连续的方向变量转换成为有限个离散方向求解,离散求积组不具备完整描述输运问题通量分布的能力.通过对主流方法进行研究分析,首次碰撞源方法是目前主要的研究方向,自主开发了多维射线效应消除程序RAY,通过基准题的计算表明RAY能够有效的消除射线效应.

摘要： 离散纵标法是目前国际上通用核装置辐射屏蔽计算的主要方法之一,但存在射线效应问题,使得通量密度呈现出空间震荡如锯齿波纹状分布.本文描述和分析射线效应的本质和产生原因,认识到这并不是由于数值计算过程的误差所致,而是由于离散纵标方法求解输运方程时只沿有限特定方向进行引起的,把原来连续的方向变量转换成为有限个离散方向求解,离散求积组不具备完整描述输运问题通量分布的能力.通过对主流方法进行研究分析,首次碰撞源方法是目前主要的研究方向,自主开发了多维射线效应消除程序RAY,通过基准题的计算表明RAY能够有效的消除射线效应.

摘要： 离散纵标法是目前国际上通用核装置辐射屏蔽计算的主要方法之一,但存在射线效应问题,使得通量密度呈现出空间震荡如锯齿波纹状分布.本文描述和分析射线效应的本质和产生原因,认识到这并不是由于数值计算过程的误差所致,而是由于离散纵标方法求解输运方程时只沿有限特定方向进行引起的,把原来连续的方向变量转换成为有限个离散方向求解,离散求积组不具备完整描述输运问题通量分布的能力.通过对主流方法进行研究分析,首次碰撞源方法是目前主要的研究方向,自主开发了多维射线效应消除程序RAY,通过基准题的计算表明RAY能够有效的消除射线效应.

摘要： 本发明涉及一种基于光滑粒子流体动力学的污染物输运预测方法，通过以下若干步骤实现：步骤一，系统初始化：初始化参数信息；步骤二，生成粒子：包括生成流体粒子、入流粒子和出流粒子；步骤三，列出控制方程的离散格式和边界条件施加方式并迭代计算：用SPH方法离散描述污染物输运的控制方程，并基于初始参数条件从0时刻开始迭代计算；步骤四，输出结果：包括最终时刻所有类型的粒子的位置、速度和浓度。本发明可以准确预测污染物初始间断分布情况下浓度发生的变化，不会产生非物理振荡现象。

摘要： 本实用新型涉及一种与BNCT相关的低能量带电粒子束输运系统；其加速器射出5MeV以下的低能量带电粒子束，束流输运线输运前述加速器射出的带电粒子束。靶子含有锂，接受前述束流输运线输运来的带电粒子束的照射产生中子束。降能系统将靶子产生的中子束的能量降低至热中子范围。集束透镜位于上述束流输运线内部，由自带电粒子束上端起沿着带电粒子束照射方向设置的规定数量的四极电磁铁以及自后端位置四极电磁铁起沿着带电粒子束照射方向设置的规定数量的八极电磁铁构成。集束透镜控制部分通过控制前述四极电磁铁与八极电磁铁的磁性，在放大前述带电粒子束的径向的束流轮廓的同时，使其均匀一致。

摘要： 本发明提供的是一种表面芯光纤微小粒子输运器及微小粒子输运方法。由一段表面芯光纤与光源连接构成表面芯光纤微小粒子输运器，纤芯位于或极靠近包层表面，纤芯中的传输光以倏逝波的形式透射出包层，透射出的倏逝波作用于微小粒子，产生光学力，所述光学力分解为指向光纤纤芯中心的梯度力和沿着光传播方向的光辐射压力，这两个力就是微小粒子受到的捕获力和推进力，微小粒子在这个两个力的作用下，沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面运动。本发明可实现生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的定向输运，并且可以通过旋转、平移光纤位置或者改变光纤的弯曲半径的方法来实现微小粒子输运地点的定位，操作简单，成本低。

摘要： 本发明提供的是一种基于热扩散融嵌芯毛细管光纤微小粒子输运装置。所述的装置主要由输入光纤1和一段融嵌芯毛细管光纤2组成，融嵌芯毛细管光纤2经过局部加热后形成热扩散纤芯3，而在纤芯中传输的传导光7会在中空毛细管203的内表面形成倏逝场8。这样，储存在中空毛细管203中的微小粒子6在倏逝场8提供的辐射压力10作用下沿着中空毛细管203内表面向光波传输方向移动，实现微小粒子的输运功能。相对于热扩散前的纤芯202，热扩散纤芯3的倏逝场得到了显著的增强，因此其微小粒子的输运功能也得到了显著的提高。本发明可用于微流芯片、细胞或药物颗粒等微小颗粒的输运和转移以及光纤集成器件应用等领域。

摘要： 本发明涉及一种蒙特卡罗粒子输运计算方法，用于计算点源发出的粒子经过屏蔽体后到达目标区域的概率值，该蒙特卡罗粒子输运计算方法包括如下步骤：计算点源发出的粒子的每一条标准轨迹在各个有关位置的粒子权重；基于每条标准轨迹进行变换生成对应的、经过所述目标区域的样本轨迹；基于每条标准轨迹与每条样本轨迹的对应关系确定每条样本轨迹在所述目标区域的权重wj；根据事件概率分布函数来计算每条样本轨迹占有的概率宽度cj；按照下列公式加权求和而得到粒子到达目标区域的概率值p：其中，M是经过目标区域的所述样本轨迹的总数量。本发明还涉及一种采用上述蒙特卡罗粒子输运计算方法进行反应堆堆芯微扰计算的方法。

摘要： 本发明公开了一种蒙特卡罗粒子输运程序模型自动精细化方法，用于将核装置的蒙特卡罗粒子输运模型的指定区域按照给定精度进行自动精细划分。该方法通过在指定区域内进行均匀的源粒子抽样，获取蒙特卡罗模型中各栅元中抽样点信息。基于抽样点信息，计算各个栅元的坐标平行包围盒。按照给定精度确定及栅元材料信息判断每个栅元是否需要进行精细化。对于需要精细化的栅元，计算所需的切分面，使用切分面将栅元分割为多个更小的栅元，并自动连续编号。本发明可以实现对模型的指定区域按照给定精度进行自动精细划分，可应用于大规模核装置模型的局部精细化分析。

摘要： 本发明提供的是一种表面芯光纤微小粒子输运器及微小粒子输运方法。由一段表面芯光纤与光源连接构成表面芯光纤微小粒子输运器，纤芯位于或极靠近包层表面，纤芯中的传输光以倏逝波的形式透射出包层，透射出的倏逝波作用于微小粒子，产生光学力，所述光学力分解为指向光纤纤芯中心的梯度力和沿着光传播方向的光辐射压力，这两个力就是微小粒子受到的捕获力和推进力，微小粒子在这个两个力的作用下，沿着紧靠纤芯一侧的光纤表面运动。本发明可实现生物分子、生物细胞、纳米团簇、胶体颗粒、介质颗粒等微小颗粒的定向输运，并且可以通过旋转、平移光纤位置或者改变光纤的弯曲半径的方法来实现微小粒子输运地点的定位，操作简单，成本低。

摘要： 一种粒子输运区域分解并行计算的异步输运模拟方法和系统，该方法包括：主进程采用多剖分结点的剖分算法将组合几何的区域剖分得到多个子区域；主进程为各区域进程分配模拟的子区域和粒子源；区域进程从所述粒子源中获取粒子，模拟粒子输运；区域进程将运动到子区域边界的粒子发送给对应的另一区域进程，或者，接收其他区域进程发送来的粒子，并根据与其他区域进程之间发送或接收的粒子数量更新所述子区域的粒子迁移记录；当子区域中没有待模拟的粒子时，区域进程将所述子区域的粒子迁移记录发送至主进程；主进程接收各区域进程的粒子迁移记录并核对，判断是否结束模拟。该方法能够避免全局通信，减少整个算法的进程等待时间，保证较高的并行效率。

摘要： 本发明公开了蒙特卡洛粒子剂量计算中粒子输运过程的去随机化方法，属于蒙特卡洛粒子剂量计算领域，本发明公开了一种在使用诸如GPU等非完全独立并行线程计算架构进行蒙特卡洛粒子剂量计算时重要的加速方法：通过把粒子输运过程中随机事件发生的概率模型转化为发生时粒子剩余能量相对于模拟粒子编号的频度直方曲线，使得随机事件的发生能量相对于粒子编号去随机化，诸如GPU这样的并行计算架构中相邻的执行机构在模拟粒子输运时将会在相近的时刻发生随机事件R，这样增加了一个GPU线程包内的不同CUDA内核同时处理随机事件R的概率，降低了数个CUDA内核暂停指令执行互相等待的状况，优化GPU计算资源的调用效率。

摘要： 本发明公开了一种蒙特卡罗粒子输运程序模型自动精细化方法，用于将核装置的蒙特卡罗粒子输运模型的指定区域按照给定精度进行自动精细划分。该方法通过在指定区域内进行均匀的源粒子抽样，获取蒙特卡罗模型中各栅元中抽样点信息。基于抽样点信息，计算各个栅元的坐标平行包围盒。按照给定精度确定及栅元材料信息判断每个栅元是否需要进行精细化。对于需要精细化的栅元，计算所需的切分面，使用切分面将栅元分割为多个更小的栅元，并自动连续编号。本发明可以实现对模型的指定区域按照给定精度进行自动精细划分，可应用于大规模核装置模型的局部精细化分析。